通过借氢策略利用非贵金属催化剂实现硝基芳烃与醇的N-烷基化已取得显著进展，但在温和反应条件下获得具有优异活性、可重复使用性及广泛底物适用范围的催化剂仍然具有挑战性。单原子催化剂（SACs）具有独特的配位/电子结构，是该反应的潜在候选者。
2026年3月5日，武汉大学雷爱文、贵州师范大学尹晓刚、裴响林在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Bio-inspired asymmetric Zn-N2O2 single-atom catalysts via natural skeleton for efficient N-alkylation of nitroarenes with alcohols》的研究论文，Yu Huang为论文第一作者，雷爱文、裴响林、尹晓刚为论文共同通讯作者。
在本文中，作者首次并创造性地利用生物质壳聚糖的天然骨架（记为Zn/CS），制备了具有不对称Zn-N2O2位点的仿生Zn单原子催化剂，并首次实现了非均相Zn单原子催化剂在硝基芳烃与醇的借氢反应中的应用。结果表明，由天然骨架（类配体）诱导的不对称Zn-N2O2位点以及Zn/CS的纳米多孔结构显著提升了硝基芳烃与醇的N-烷基化效率。
值得注意的是，Zn/CS在已报道的非均相催化剂中表现出最高的转换频率（TOF），同时具有广泛的底物适用范围（56个实例）和出色的可重复使用性。此外，通过结合理论计算对催化路径/机理进行了研究，揭示了具有缺电子特性的不对称Zn-N2O2位点能够促进Zn/CS与Ph-CH2O⁻之间形成Zn-H和Zn-O键，从而轻易生成过渡态Ph-CH2O*并驱动整个反应。
近年来，N-烷基化化合物在药物、杀虫剂、添加剂、有机合成中间体、功能材料等领域中无处不在。因此，开发绿色高效的N-烷基化化合物合成方法已成为现代催化研究的关键目标。合成N-烷基化化合物的传统方法包括Buchwald-Hartwig偶联、Hofmann降解、Ullmann或Goldberg偶联反应等。然而，这些方法存在若干缺点：（1）使用有毒的烷基化试剂有机卤化物，且副产物种类繁多；（2）过度使用有害添加剂，如硅烷、硼烷或CaH2；（3）反应条件苛刻，如高温高压；（4）反应活性和适用性较低，这极大地限制了其应用。
最近，以醇和胺为原料，由过渡金属催化的借氢反应在绿色高效合成N-烷基化化合物方面展现出显著优势。这些优势包括：（1）醇类底物廉价、在自然界中易于获取，并可作为烷基化试剂，替代有毒的有机卤化物或卤代重金属盐；（2）反应无需有害的还原性添加剂，因为氢来自醇自身；（3）反应通过一锅串联过程进行，副产物仅为H2O，具有高原子经济性和环境友好性。此外，研究人员还探索了使用更具成本效益的硝基芳烃代替胺作为起始原料，试图提高N-烷基化化合物合成的经济性和环境友好性，并取得了一系列研究进展。
在通过硝基芳烃与醇之间的借氢策略合成N-烷基化化合物的过程中，醇需要被氧化成醛，并作为氢供体。然后，它不仅能有效地将硝基芳烃还原为胺，还能将醛和胺形成的亚胺中间体还原为目标N-烷基化化合物。因此，该反应对催化剂有严格的要求。尽管大量关于均相催化的研究报道了使用过渡金属催化剂进行N-烷基化反应，但这些催化剂受到产物污染、分离困难以及配体合成成本高等问题的制约。因此，开发绿色、高效且可回收的催化剂用于合成N-烷基化化合物至关重要。近年来，一系列基于Pd、Pt、Au、Ru和Ir等金属的负载型催化剂已成功应用于硝基芳烃与醇之间的借氢反应。
然而，这些报道大多集中在贵金属催化剂上，其高昂的成本和稀有性限制了其广泛应用。在一些已报道的非贵金属催化剂中，如报道的碳纳米管/Co、Cu/Al2O3、Fe3O4@N–C等，可以实现目标产物的转化。但由于非贵金属的本征活性，它们往往表现出较差的催化性能或需要苛刻的反应条件，如更高的反应温度、更大的催化剂用量、更窄的底物范围等，这与绿色化学的理念相悖，并限制了其催化潜力。可见，利用负载型非贵金属催化剂在温和条件下实现硝基芳烃与醇之间的高效绿色借氢反应仍然是一个重大挑战。
壳聚糖是自然界中第二大天然聚合物甲壳素的脱乙酰产物，是一种绿色、低成本的可再生材料。作为催化剂载体，壳聚糖具有以下几个优势：（1）其分子链含有高密度的官能团（-OH、-NH2），使其能够像均相催化剂中的配体一样，调控金属位点的配位环境和电子结构；（2）由于其固有的刚性分子结构，壳聚糖具有天然的分级结构，并可通过溶胶-凝胶策略进一步调控，同时具有优异的可重复使用性，使其成为非均相载体的潜在候选者；（3）壳聚糖中的分级结构和N或O元素/基团可以促进金属颗粒的附着和分散，以及反应底物的扩散和交换。这些因素表明，使用壳聚糖作为载体来开发用于硝基芳烃与醇的N-烷基化的高性能非均相催化剂具有巨大的前景。
在本文中，作者将壳聚糖溶解在低温碱/尿素水体系中，并通过溶胶-凝胶法制备了多孔三维（3D）壳聚糖微球。这些微球表现出较大的比表面积，从而进一步促进了金属颗粒的锚定和反应物的快速交换。此外，以这些壳聚糖微球为载体，作者首次成功合成了仿生Zn单原子催化剂，并首次实现了Zn单原子催化剂在硝基芳烃与醇的借氢反应中的应用。研究表明，由壳聚糖骨架负载的Zn单原子催化剂呈现出不对称的Zn-N2O2配位环境和电子结构，这显著增强了Zn/CS的催化性能。
值得注意的是，与各种已报道的非均相催化剂相比，Zn/CS实现了最高的转换频率（TOF），达到51.85 h⁻¹，并表现出优异的底物兼容性（56个实例）和循环稳定性。结合密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了相应的催化机理，结果表明，具有缺电子特性的仿生Zn-N2O2位点显著促进了醇脱氢转化的速率决定步骤（RDS），揭示了Zn/CS高催化活性的根本原因。本研究首次利用生物质壳聚糖的天然骨架合成了仿生Zn单原子催化剂，并首次实现了非均相Zn单原子催化剂在N-烷基化反应中的高效催化，为高效合成N-烷基化化合物提供了一种新方法，并为生物质资源的开发和利用做出了贡献。
图1：Zn/CS催化剂的制备与结构。a Zn/CS催化剂制备过程示意图。b Zn/CS催化剂的SEM图像。c 单个壳聚糖微球的部分放大图，内插图为单个微球。
图2：Zn/CS催化剂的TEM、HAADF-STEM和XAS分析。a Zn/CS催化剂的TEM图像。b Zn/CS催化剂的HAADF-STEM图像，锌原子用红色圆圈标出。c Zn/CS催化剂的HAADF-STEM元素映射图。d 锌箔、ZnO、ZnPc和Zn/CS催化剂在Zn K-边的XANES谱图，和 e EXAFS谱图。f Zn/CS催化剂在R空间中的Zn K-边EXAFS（点）和曲线拟合（线）。g–j 锌箔、ZnO、ZnPc和Zn/CS催化剂的小波变换等高线图。
图3：催化活性与底物范围。a 硝基苯与苯甲醇模型反应中，各种商业及已报道催化剂的动力学曲线和 b TOF对比。c1–c5 底物适用性：a 反应条件：硝基化合物（0.2 mmol）、醇（0.6 mmol）、KOH（0.54 mmol）、石油醚（6 mL）、Zn/CS（0.09 mol% [Zn]，Zn: PhNO2），在120 °C下反应21小时。b 反应时间为36小时。c 甲苯（4 mL），Zn/CS（0.17 mol% [Zn]），在130 °C下反应24小时。d Zn/CS（0.17 mol% [Zn]），在130 °C下反应36小时。e 在120 °C下反应48小时。f Zn/CS（0.17 mol% [Zn]），在130 °C下反应48小时。g 甲苯（4 mL），Zn/CS（0.17 mol% [Zn]），在130 °C下反应36小时。h 甲苯（4 mL），Zn/CS（0.17 mol% [Zn]），在130 °C下反应48小时。i Zn/CS（0.3 mol% [Zn]），在130 °C下反应21小时。产物收率为分离收率，相应的核磁共振谱图见支持信息。
图4：反应路径/机理。a Zn/CS催化的硝基苯与苯甲醇借氢反应的NMR谱图随时间变化，以及 b GC谱图随时间变化。c Zn/CS催化的平行实验。d 两种不同的反应路径和氘代标记实验。
图5：DFT计算。a ZnN4-CS、b ZnN3O1-CS 和 c ZnN2O2-CS 的模型与结合能。d ZnN₂O₂-CS的电荷密度差俯视图和侧视图，黄色和蓝色区域分别表示电荷积累和耗尽。e ZnN2O2-CS的Bader电荷分析。f 空白壳聚糖和ZnN2O2的态密度。g 使用Zn/CS和纳米Zn/CS催化剂时，苯甲醇氧化反应的路径及相应的吉布斯自由能曲线。图d-f使用VASP获得，其他图板使用DMol³生成。
总之，作者首次通过生物质壳聚糖的天然骨架，成功合成了一种具有不对称Zn-N2O2位点的新型仿生Zn单原子催化剂。通过溶胶-凝胶策略，壳聚糖微球载体呈现出纳米多孔结构和大的比表面积，这促进了Zn原子的附着和反应物的交换。
此外，壳聚糖上丰富的N/O官能团能像配体一样调节Zn原子的配位环境和电子结构，并有效锚定Zn原子。将合成的催化剂应用于硝基芳烃与醇的借氢反应中，基于壳聚糖骨架诱导的不对称Zn-N₂O₂配位结构，该催化剂与一系列商业及已报道的催化剂相比，表现出优异的催化活性，其TOF最高可达51.85 h⁻¹。
同时，Zn/CS催化剂还显示出广泛的底物适用性（56个实例）和杰出的循环稳定性，表明其具有工业应用潜力。本研究还阐明了相应的催化路径/机理，揭示了具有缺电子特性的不对称Zn-N2O2位点更有利于在过渡态Ph-CH2O*中形成Zn-H和Zn-O键，从而引发醇的脱氢反应，进而促进整个反应的进行。
本研究首次将生物质衍生的Zn单原子催化剂用于硝基芳烃与醇的借氢反应，为N-烷基化化合物的高效合成提供了一种新方法，并为生物质资源的开发利用做出了贡献。
Bio-inspired asymmetric Zn-N2O2 single-atom catalysts via natural skeleton for efficient N-alkylation of nitroarenes with alcohols. Nat. Commun., 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-70172-1.
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
